《高礦化度礦井水處理工藝設計》8500字

摘要：濟寧煤礦以開采煤礦為主，根據(jù)廢水排放標準，構建廢水處理量為20000m3/d的污水處理站。通過對高礦化度礦井水水質分析，從廢水水質特點出發(fā)選擇以“預處理（混凝、澄清、過濾）+超濾、反滲透技術脫鹽”的廢水處理工藝，對綜合排放廢水成分如各類離子、懸浮物以及可溶性固體等進行有效去除。從經濟角度和技術處理效果考慮，按照需求，逐步處理，達到《煤炭工業(yè)污染物排放標準》（GB20426-2006）標準的設計水質，回用水執(zhí)行《高礦化度井水處理與回用導（GBT37758-2019）要求。首先經混凝沉淀、過濾去除懸浮物，在濾池出水部分消耗約4400～5000m3/d的廢水用于礦區(qū)周圍地面的生產活動；而井下生產的需水量由曝氣和消毒處理后供給，總量為4200～5000m3/d；剩余部分經反滲透后進入電廠用作冷卻水循環(huán)回用。從而大大緩解華北地區(qū)水資源緊缺的狀況，并與周邊環(huán)境產生良性發(fā)展。關鍵詞：高礦化度；反滲透技術；循環(huán)回用；水資源緊缺摘要中數(shù)字及英文及單位都要改成新羅馬字體設計總說明一、任務來源2022屆給排水科學與工程專業(yè)畢業(yè)設計設計標準（1）根據(jù)濟寧煤礦的地理位置以及生產用水情況，查閱相關資料，設計出合適的礦井水處理站。（2）根據(jù)水質特點，選擇最合適的工藝。（3）嚴格計算各個單體處理構筑物的有關參數(shù)。（4）根據(jù)煤礦周邊現(xiàn)有地形布置好處理工藝的平面布局，核算高程。（5）最后繪制圖紙，并做出相關說明。三、設計原則（1）經分析廢水特點后確定最佳處理方案。（2）全方位規(guī)劃、布局合理，其處理流程與環(huán)境相協(xié)調。（3）在滿足出水水質的要求后，盡可能設計小一點的構筑物尺寸，減少占地面積并節(jié)約投資成本。四、主要技術資料依據(jù)的標準規(guī)范如表1：

--PAGE8-1緒論1.1高礦化度礦井水的來源和危害1.1.1來源開發(fā)利用煤礦時，由于煤層和地下水所相接觸，人類在周圍進行開發(fā)和生活，使巖層下的水源產生了物理、化學和生化反應，伴隨著明顯的變動，具備了煤炭行業(yè)特征[1]：水中懸浮物含量遠遠超過地表水，改變了礦井水的水質等級。1.1.2危害高礦化度礦井水對作物生長不利，降低混凝土的質量，人如果長期飲用，將產生拉肚子和難以消化等癥狀。沒有經過處理后的水排放出來會造成生態(tài)環(huán)境的污染，同時影響該地區(qū)的產業(yè)生產，增加運營成本，阻礙其經濟發(fā)展[2]。1.2高礦化度礦井水的特點該類廢水含有一定量的Ca2+、Mg2+和少量Ba2+、Sr、F－、Fe及SiO2，通常硬度比較高，容易凝結在一起形成污垢。若雨、污、中三水排放不分明，某些礦井水中還含有少量生活污水，水中含有少量CODCr、BOD5等有機污染物，含鹽量大于1000ng/L[3]。目前急需處理的就是礦井水高含量堿度和TDS，而無機鹽類是TDS的主要組成成分，所以消除鹽分和堿度在水中的高含量是工藝的重中之重。1.3高礦化度礦井水的國內外研究現(xiàn)狀高礦化度礦井水中含有的TDS和堿度超標，現(xiàn)要對于這些超高濃度的工業(yè)污染物給予治理辦法。國內外的一些學家處理方法大同小異[4]。國內肖艷在對于礦井水中以鈉鹽與水組成的體系處理的過程中，采用的是熱法+冷凍結晶結合技術，提高了結晶鹽純度，使其達到了工業(yè)鹽一級標準[5]。而曹振興、崔玉川等人針對煤礦的具體情況，分別選擇超磁分離技術和RO法凈化礦井水，能夠有效去除水中的污染物，大大推動了煤炭行業(yè)的技術進步和環(huán)保產業(yè)發(fā)展[6-10]。在馬景國的描述中，結合以上三者的工藝形成一套新的處理技術，采用“超磁分離＋反滲透＋結晶技術”礦井水脫鹽處理工藝，實現(xiàn)處理后的中高礦化度礦井水滿足不同用戶終端的需求[11]。通過對比之前的RO法、超磁分離和結晶技術等，最終我們選擇的是反滲透技術，在原基礎上完成水資源的可循環(huán)利用以及環(huán)境友好型的除污初衷。2設計內容及設計資料2.1設計內容（1）高礦化度礦井水主要來源于煤礦開采，其綜合排放廢水成分有各類離子、懸浮物以及可溶性固體等。本設計采用“預處理+反滲透深度處理”的處理工藝，再根據(jù)廢水水質特點和進、出水以及回用水質要求，從經濟角度和技術處理效果考慮，采用按需處理，處理后的水到達不同終端用戶的排放標準。（2）計算污水處理構筑物。對污水處理站進行合理的平面布置，并開展水力與高程的計算。（3）畫出工藝流程及關鍵設備的CAD圖整理設計說明書編制。2.2設計原始資料2.2.1污水廠設計規(guī)模濟寧煤礦坐落于濟寧市微山縣，以開采煤礦為主，現(xiàn)處理其生產的廢水，由水質和水量標準，規(guī)劃建設1座處理20000m3/d污水量的礦井水處理站?；赜脧U水處理量為12000m3/d，員工數(shù)為400人，q=80L/（d?人），，總變化系數(shù)根據(jù)公式（）進行計算。（1）均日均時流量（2）高日均時流量（3）高日高時流量2.2.2污水廠進出水水質出水水質按照《煤炭工業(yè)污染物排放標準》（GB20426-2006）規(guī)范，回用水執(zhí)行《高礦化度井水處理與回用導（GBT37758-2019）要求。其各項水質指標如表2-1所示。2.2.3處理方案的比選及確定（1）通過廢水處理工藝的比較：ED法工藝設備及系統(tǒng)簡單，但易結垢，水回收利用率低，有機物和細菌不能得以去除，消耗能量大。電吸附除鹽技術雖然對工藝進行了很好的改善，但目前國內該方面的處理工藝尚未達到很成熟的地步。而無機鹽、水中所含有機物、膠體以及細菌等均可通過反滲透處理技術有效去除，其除鹽率可達95%以上，并且能量耗用少、占地體積小，操作流程簡單快速，凈化后的水質良好。從經濟運行和環(huán)境保護等方面的綜合考慮，最終選擇以反滲透技術為核心的處理工藝處理廢水。（2）污泥處理工藝這里我們選用的是：生污泥→濃縮→機械脫水→委外處理→最終處置（3）廢水處理工藝流程圖2-1反滲透廢水處理工藝流程圖2.2.4預期處理的效果根據(jù)進出水水質計算各水質參數(shù)去除率:表2-2各水質參數(shù)去除率3污水處理構筑物設計計算3.1調節(jié)池設計3.1.1設計參數(shù)Qmax3.1.2設計計算調節(jié)池有效容積（3-1）調節(jié)池水面面積設置水池的總體高度為H=6.5m（包含0.5m超高），池內水深h=6m，則整體面積為（3-2）調節(jié)池的尺寸水池長度L=30m，寬度B=30m，則整體尺寸為（3-3）調節(jié)池的攪拌器設置兩臺LFG-350反應攪拌器在調節(jié)池下，防止廢水中懸浮物沉淀并進一步均化水質。調節(jié)池的提升泵設計流量Q=150L/s，靜揚程H=36.00-30.00=6.00m總的出水管流量Q=230L/s，選擇直徑為DN500的管道，由表可知v=1.18m/s，1000i=2.2，管子的全部長度設置為60m，。則有：（3-4）管渠水損設置為2.0m，包括1.5m的自由水頭。則水泵總揚程為:（3-5）250QW500-10-30型污水泵設置三臺，為防止故障，一臺留作備用，各項參數(shù)見表3-1：3.2水力循環(huán)澄清池3.2.1設計參數(shù)最大廢水處理量為20000m3/d，即833.3m3/h，設置三個同樣的澄清池，故將水量一分為三，以一個為例，回流比采用1：4。①總進水量（3-6）②設計循環(huán)總流量3.2.2水力提升器計算（1）噴嘴1）噴嘴口直徑（3-7）2）進水管直徑（3-8）3）斜壁高為（3-9）4）凈作用水頭（3-10）（2）喉管1）喉管直徑（3-11）則實際喉管流速2）令喉管混合時間t1=0.6s，則（3-12）（3）喉管喇叭口1）喇叭口直徑（3-13）2）斜壁高（3-14）3）連接喇叭口大端圓簡部分高（3-15）4）噴嘴與喉管間距（3-16）3.2.3第一反應室計算（1）上端出水口直徑（3-17）（2）上端出水口面積（3-18）（3）實際出口流速為（4）反應室高度（3-19）3.2.4第二反應室計算第二反應室上端斷面積（3-20）1）第二反應室直徑（3-21）2）實際斷面積（3-22）3）實際進口流速（3-23）4）第二反應室高（h4取0.2m）（3-24）（3-25）（2）下端斷面積（3-26）（3）出口流速（3-27）3.2.5澄清池各部尺寸計算斷面積（3-28）（3-29）（2）澄清池高度H1）第二反應室內水的深度（3-30）2）澄清池總高（3-31）3）錐體部分高度（3-32）4）澄清池直壁（3-33）3.2.6各個部位的體積以及水流停留時長的計算喉管混合時間（3-34）（2）第一反應室停留時間t21）第一反應室容積（3-35）2）（3-36）（3）第二反應室停留時間t31）第二反應室容積（3-37）2）（3-38）（4）分離室停留時間t4（3-39）（5）凈水歷時T'（3-40）（6）澄清池的總體積W及水流停滯的時長T①總體積（3-41）②總水流停滯時長（3-42）3.2.7進出水系統(tǒng)計算（1）進水管q=π4d2v，q=0.081m3（2）出水系統(tǒng)1）采用環(huán)形穿孔集水槽（3-43）則D1=7.80m是其中心線的直徑。2）環(huán)形集水槽寬度b（3-44）（3-45）槽內水深起點，終點，則槽高為。3）集水槽平均流速為（3-46）3.2.8排泥系統(tǒng)計算（1）污泥濃縮室容積（3-47）設計采用每斗容積為3m3的泥斗兩只，實際上選用泥斗的尺寸為高1500mm，上底長2150mm，其容積V=3.2m3。（2）排泥管計算排泥管道選用d=150mm的規(guī)格，長度確定為15m。1）排泥流量（3-48）2）排泥歷時（3-49）（3）放空管計算采用d=200mm放空管，Wo'=0.0314m2，u取0.4.放空時間（3-50）其中算得K1=1223，K2=14，則t0'=3942s=1.1h溢流管采用d=300mm。3.2.9藥劑投加量根據(jù)懸浮物的含量，依次加入投入PAC和PAM，分別對水進行混凝和絮凝處理，進一步提高出水水質，以達到排放標準。PAC藥劑的投加濃度為50-100g/m3，PAM投加濃度為2-5g/m3?，F(xiàn)我們取PAC濃度為50g/m3，PAC投加濃度為2g/m3。由Q=20000m3/d得，每天的污水處理量為20000m3。①所需PAC的量為m1（3-51）②所需PAM的量為m2（3-52）3.3重力無閥濾池3.3.1設計水量濾池凈產水量Q1=20000m3/d=833.3m3/h，考慮5%的沖洗水量，則濾池處理水量為Q=1.05Q1=1.05×833.3=875m3/h=0.243m3/s。3.3.2設計參數(shù)濾池采用單層石英砂濾料，其內水損為1.8m。將室外地面標高確定為0.00m，在此基礎之上排水井的堰頂設為-0.85m，并取-1.50m作為池子埋入土內深度。3.3.3設計計算1.濾池面積①濾池凈面積F（3-53）②單格面積f（3-54）③單格濾池實際凈面積（3-55）（3-56）（3-57）（3-58）2.進、出水管①斷面面積ω1（3-59）②進水總管管徑D（3-60）③單格進水管管徑D1（3-61）④單格進水管水頭損失（3-62）則3.沖洗水箱①沖洗水箱容積V（3-63）②沖洗水箱面積F'=4.5×4.5=20.25㎡（3-64）③沖洗水箱高度（3-65）表3-2濾池高度濾池總高度取6.85m，根據(jù)濾池的入土深度，沖洗水箱平均水位標高為+3.50m。4.反沖洗水頭損失（1）平均沖洗流量（3-66）（2）單格濾池進水管流量（3）虹吸管中的計算流量（3-67）①連通渠水頭損失（由謝才公式，）（3-68）（3-69）（3-70）（3-71）則（3-72）（3-73）②孔板水頭損失（3-74）(注：采用小阻力配水系統(tǒng)，采用鋼筋混凝土孔板，板厚200mm)③承托層水頭損失（3-75）④石英砂濾料層的水損（3-76）⑤配水板水頭損失取0.05m⑥虹吸管內水頭損失1）虹吸管上升管管徑取DN500，由配水板至DN500×350三通處流量為（3-77）2）由三通至120°彎頭處流量為（3-78）3）虹吸下降管管徑取DN450，流量為（3-79）⑦反沖洗總水頭損失（3-80）⑧校核虹吸水位差虹吸水箱平均水位標高+3.50m，排水井堰頂標高為-0.85m，則平均沖洗水頭Ha=4.35m＞4.21m，滿足要求。5.排水井排水管排水流量，采用de830HDPE管，坡度1.05%，充滿度h/D=0.85，流量可達到460L/s，可通過反沖洗時的排水量。3.4曝氣池利用加酸曝氣去除堿度，在曝氣池中加入H2SO4，減低PH，使廢水中的主要污染組分重碳酸鹽的狀態(tài)不穩(wěn)定，再通過其相關裝置使游離CO2迅速逸出水中，從而達到降低堿度的目的，同時預防鹽類囤積或凝結成塊。3.4.1工藝設計計算1.處理效率E（3-81）2.污水負荷Ns的確定選取Ns=0.5kgBOD5/kgMLVSS·d3.污泥濃度的確定（1）混合液污泥濃度(混合液懸浮物濃度)X(MLSS)（3-82）（2）混合液揮發(fā)性懸浮物濃度X'(MLVSS)（3-83）（3）污泥回流濃度Xr（3-84）4.核算污泥回流比R（3-85）R=60%5.容積負荷Nv（3-86）6.曝氣池容積V（3-87）7.水力停留時間（1）名義水力停留時間tm（3-88）（2）實際水力停留時間ts（3-89）8.剩余污泥量△X（3-90）9.污泥齡θc（3-91）3.4.2池體結構設計選用推流式曝氣池，廊道式、鼓風曝氣。1.曝氣面積設4組曝氣池，每組容積為V/n（3-92）取池有效水深H=2.5m則每組曝氣池的面積F1（3-93）2.曝氣池寬度B取池寬B=5m（3-94）3.池長L（3-95）（3-96）4.曝氣池的平面形式（四條廊道式）每廊道長（3-97）5.曝氣池總長度H'（3-98）3.4.3曝氣系統(tǒng)的設計計算1.需氧量計算（1）日平均需氧量O2（3-99）則（2）每公斤BOD5需氧量的消除量（3-100）（3）最大需氧量O2max(考慮BODs負荷變化，最大需氧量變化系數(shù)K=1.2)（3-101）2.供氣量采用膜片式微孔曝氣裝置，距池底0.25m，故淹沒水沉為4.25m，最高水溫采用30°C。（1）溶解氧飽和度Cs查三廢P300表得：水溫20°C時，Cs(20)=9.17mg/L；水溫30°C時，Cs(30)=7.63mg/L（2）曝氣器出口絕對壓力Pb（3-102）則（3）空氣逸出曝氣池時，氧的百分比Ot（3-103）（4）池內混合液體平均飽和濃度Csb(T)按最不利溫度考慮T=30°C（3-104）（5）脫氧清水充氧量R020°C時：（3-105）30°C時：（3-106）（6）曝氣池平均時供氣量Gs（3-107）（7）最大時供氣量Gsmax（3-108）（8）去除每公斤BOD5的供氣量（3-109）（9）每m3污水的供氣量（3-110）3.5清水池3.5.1清水池的平面尺寸（1）清水池有效容積為：（3-111）（3-112）（3-113）（3-114）則（2）濾后水經過消毒后進入清水池，兩組濾池的濾后水分別進入兩個清水池，則每個清水池的容積是1537m3，取清水池有效水深5m，則其面積為307.4m2，平面尺寸為32×10，清水池采用地下式鋼筋混凝土立方體水池，水池項部高出地面0.5m，清水池超高0.5m。3.5.2管道布置（1）清水池的進水管進入管內的流量為0.1m3/s，查水力計算表選用DN350mm的鑄鐵管，其流速1.165m/s，1000i=0.568，溢流管選擇相同的管道。（2）清水池的出水管按照出水最大流量計：（3-115）查相關資料，選用管徑DN500mm，流速1.12m/s，1000i=0.785的鑄鐵管。（3）清水池的排水管排水管的管徑：（3-116）設計中取為DN600mm。3.5.3校核清水池內的消毒時間（1）消防儲水容積（3-117）（2）消防水位時水力停留（3-118）（3）有效停留時間與水力停留時間之比（3-119）（4）有效接觸時間，規(guī)范規(guī)定氯消毒時t10大于2.0h（3-120）（5）GT值（3-121）對應20°C水，CT＞2可以滅活99%的細菌，滿足要求。3.6超濾膜設計3.6.1設計參數(shù)經曝氣和消毒處理后，約有5000m3/d的水量供給井下生產，剩余設計水量Q=10500m3/d=437.5m3/h進入超濾膜進行深度處理。3.6.2設計產水量的計算每日正反洗次數(shù)M（3-122）每日沖洗時間（3-123）設計產水量Qs（3-124）（3-125）（3-126）（3-127）3.6.3超濾膜組件數(shù)量的計算膜面積S（3-128）膜組件的選擇組件數(shù)N=383.3，取384支3.6.4超濾原水泵按照產水量和設計回收率（取80%），每套超濾原水泵的Q原=489.3m3/h，其揚程為20m(采用恒流控制）3.6.5反沖洗的設計（1）單套系統(tǒng)反沖洗水量Q'（3-129）原水泵揚程取10m3.6.6正洗設計正洗和原水泵共用3.6.7化學清洗設計清洗管道選擇選擇管道直徑為DN500mm，長為40m，50μm的精密過濾器清洗水箱體積V（3-130）3.7保安過濾器3.7.1濾元數(shù)量單臺保安過濾濾芯數(shù)量（3-131）（2）保安過濾器布置選擇DN1000保安過濾器，筒內設置9支濾芯，采用臥式布置和安裝，垂直吊裝旋轉式帶法蘭封頭蓋，總長1500mm，濾筒中心高915mm。3.7.2筒體計算厚壁（3-132）3.7.3壁厚附加量鋼板（指3mm厚以下）的負偏差C1=0.2mm；冷卷圓筒鋼板減薄量C2=0，超濾出水對不銹鋼的腐蝕裕量C3=1.2mm。（1）容器壁厚附加量（3-133）過濾器圓筒壁厚（3-134）3.7.4標準橢圓封頭計算壁厚計算壁厚（3-135）（2）熱壓封頭鋼板減薄量（約為計算壁厚的10%）（3-136）（3）封頭壁厚附加量（3-137）過濾器封頭壁厚（3-138）3.7.5工藝管口進、出口直徑：（3-139）3.8反滲透系統(tǒng)設計計算3.8.1反滲透膜的選擇根據(jù)剩余設計水量Q=10500m3/d=437.5m3/h，TDS＜5000mg/L，選擇型號為BW30-400FR的膜，其性能參數(shù)如下表：表3-4BW30-400FR反滲透膜參數(shù)3.8.2膜數(shù)量的計算一級反滲透系統(tǒng)出水量228.75m3/h，二級反滲透系統(tǒng)出水量208.75m3/h，兩者都選用膜面積為400Ft2（37.16㎡）的反滲透膜。設計膜數(shù)量（3-140）（2）系統(tǒng)的平均膜通量在水源為經過超濾的冷卻塔排水的情況下，一級反滲透系統(tǒng)設計的膜數(shù)量為246根，則：（3-141）4污泥部分的設計計算4.1污泥濃縮池剩余污泥干重ΔXT=ΔX/f=2092.4/0.75=2789.9kg/d。剩余污泥的體積量（濕泥量）為： (4-1)（1）計算污泥濃度已知P1=99.4%，P2=97%（污泥密度按1000kg/m3）則進水污泥固體濃度為 (4-2)出水污泥固體濃度為 (4-3)（2）濃縮池的面積 (4-4)采用一座濃縮池。（3）濃縮池的直徑 (4-5)（4）濃縮池高度 (4-6)（5）有效水深 (4-7)則（6）濃縮池總高度 (4-8) (4-9) (4-10)則（7）濃縮后剩余污泥量 (4-11)（8）濃縮后分離出的上清液量 (4-12)（9）出水堰上清液流量q=0.0043m3/s,取出水槽寬b=0.25m。出水堰周長 (4-13)形狀采用單側90°角形，頂寬選用0.16m的三角形，堰與堰的間距為0.10m。濃縮池有三角堰: (4-14)每個三角堰的流量為： (4-15)由Qa=1.4Ha2.5得， (4-16)出水槽的高度為： (4-17)則出水槽的高度為：(4-18)4.2污泥泵房需處理剩余的污泥含量為464.98m3/d=19.37m3/h。污泥泵所需揚程估計為6m，選用50QW25-10-1.52臺，一臺留作備用，其性能參數(shù)如下表：表4-1剩余污泥泵參數(shù)4.3污泥貯泥池（1）貯泥池設計計算①貯泥池的容積貯泥池內貯有12h的泥量 （4-19）②貯泥池的尺寸水深5m，其水池面積為 （4-20）（2）污泥泵的選擇依據(jù)污泥量處理，壓濾機工作時長設置6.5h/天 （4-21）選用一用一備共兩臺1PN型泥漿泵，如下表：表4-2污泥泵選擇技術參數(shù)4.4污泥脫水機房（1）脫水后污泥量 （4-22）則 （4-23）（2）脫水機的選擇選用DNYC3000型帶式壓濾機，處理量80m3/h,出機濾餅含水率≤75%。設計中共采用5臺帶式壓濾機，四用一備，可以滿足601.92kg/h的總處理泥量。5污水處理廠總體布置5.1污水廠平面布置5.1.1工藝流程布置為減少各構筑物之間的損耗及其相互連接的管道長度，整體工藝流程采取直線型分布，劃定在一定區(qū)域內，便于管理和今后的擴建。5.1.2構筑物平面布置污水處理站的布置為一整塊的長方形區(qū)域。各污水處理設施直線型集中分布在南部，污水處理區(qū)域位于東南部，也直線排列，處于主導風向的下風向，利于空氣凈化。生活區(qū)域在整體的上方，將各建筑物集中組合在同一個區(qū)域內，部分集中布置，另在廠區(qū)門口設置警衛(wèi)室和停車場，便于與外部人員的溝通和車輛?？俊１?-1各構筑物設計尺寸名稱設計尺寸（L×B×H）數(shù)量調節(jié)池30.0m×30.0m×6.5m1水力循環(huán)澄清池5.45m×5.45m×6.34m1重力無閥濾池20.0m×5.0m×6.85m1曝氣池80.0m×5.0m×3.0m4清水池30.0m×10.0m×5.0m(含超高0.5m)1超濾產水箱20.0m×13.0m×4.8m1反滲透系統(tǒng)25.0m×18.0m×4m1污泥濃縮池直徑D=7.0m，H=4.4m(含超高0.3m)1污泥貯泥池5.0m×3.0m×5.0m1脫水機房35.0m×15.0m×20m1倉庫20.0m×10.0m1機房16.0m×5.0m1監(jiān)控室9.0×8.0m1配電間24.0m×15.0m1綜合辦公樓52.0m×35.0m1宿舍18.0m×20.0m1食堂35.0m×18.0m1活動中心18.0m×10.0m1機修間40.0m×30.0m1停車場54.0m×25.0m1門衛(wèi)室4.0m×4.0m15.2污水廠高程布置污水處理高程計算內容：①各污水處理構筑物連接管渠的水頭損失包含沿程、局部；②計量設備等的水頭損失；③各污水處理構筑物的高程。表5-2各構筑物的水頭損失5.3水頭損失計算（1）沿程水頭損失h1 （5-1）當v≤1.2m/s時， （5-2）根據(jù)管道的DN以及相應的流速范圍，采用對應的公式進行計算。（2）局部損失